High Performance Neural Networks for Online Speech Recognizer

Automatische Spracherkennung (engl. automatic speech recognition, ASR) beschreibt die Fähigkeit einer Maschine, Wörter und Ausdrücke gesprochener Sprache zu identifizieren und diese in ein für Menschen lesbares Format zu konvertieren. Die Anwendungen sind ein maßgeblicher Teil des digitalen Lebens bspw. wird der Dialog zwischen Mensch und Maschine oder ein Dialog zwischen Menschen, die unterschiedliche Muttersprachen sprechen, ermöglicht. Um diese Fähigkeit in vollem Maße zu gewährleisten, müssen ASR-Anwendungen nicht nur mit hoher Genauigkeit, sondern, für eine Interaktion mit einem Benutzer, auch schnell genug, antworten. Dieses Wechselspiel beider Bedingungen eröffnet das Forschungsgebiet der Online Speech Recognition, welche sich von der konventionellen Spracherkennung, die sich ausschließlich mit dem Problem der Genauigkeit befasst, unterscheidet. Schon über ein halbes Jahrhundert wird aktiv in der automatischen Spracherkennung geforscht. Verschiedene Muster- und Template-Matching-Methoden wurden bis Mitte 1980 erforscht, als das Hidden Markov Model (HMM) einen Durchbruch zur Lösung der Spracherkennungsaufgabe ermöglichte. Der HMM-Ansatz schafft ein allgemeines Framework, welches Schwankungen in der Zeit sowie Spektrums-Domäne der Sprache statistisch entkoppelt und modelliert. Ein HMM-basierter Erkenner wird auf eine komplexe Pipeline aufgesetzt, welche aus etlichen statistischen und nicht-statistischen Komponenten, wie bspw. einem Aussprachewörterbuch, HMM-Topologien, Phonem-Cluster-Bäumen, einem akustischen Modell und einem Sprachmodell, besteht. Durch aktuelle Fortschritte bei künstlichen neuronalen Netzen (KNN) für die akustische sowie sprachliche Modellierung dominiert der hybride HMM/KNN-Ansatz in unterschiedlichen ASR-Anwendungen. In den letzten Jahren hat die Einführung komplett neuronaler Ende-zu-Ende Spracherkennungssystems, welche eine neuronale Netzwerkarchitektur verwenden, um die direkt Abbildung eines akustischen Signals zu einer textuellen Transkription zu approximieren, großes Interesse auf sich gezogen. Die Vorteile des Ende-zu-Ende-Ansatzes liegen in der Einfachheit des Trainings eines kompletten Spracherkennungssystems, wobei die komplexe Struktur einer HMM-basierten Pipeline entfällt. Gleichzeitig benötigt die Ende-zu-Ende ASR oft eine wesentlich größere Trainingsdatenmenge und es ist eine größere Herausforderung ein Ende-zu-Ende Modell so anzupassen, dass es auf einer neuen Aufgabe gut abschneidet. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines hoch-performanten Spracherkennungssystems für ein Online- und Streaming-Szenario. Der Autor erreichte dies durch ein Vorgehen in zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden vielfältige Techniken im HMM-KNN- und Ende-zu-Ende-Paradigma angewandt, um ein hoch-performantes System im Batch-Mode zu bauen. Batch-Mode bedeutet, dass die vollständigen Audiodaten beim Start der Verarbeitung zur Verfügung stehen. Im zweiten Schritt wurden effiziente Anpassungen untersucht, die einem hoch-performanten Batch-Mode-System ermöglichen Inferenzen online bzw. fortlaufend durchzuführen. Gleichzeitig wurden neuartige Algorithmen zu Reduktion der wahrgenommenen Latenz, welche das kritischste Problem von online Spracherkennern ist, entwickelt. Erster Schritt. Die vorgestellte Techniken, die auf hochperformante Ergebnisse abzielen, können anhand deren Position in der Spracherkennungs-Pipeline, wie Merkmalsextraktion und Daten-Augmentierung, kategorisiert werden. Bevor Sprachsignale eine digitale Form annehmen, sind sie als Ergebnis der Faltung mehrere Frequenzkomponenten in einem großen Dynamikumfang bekannt. Diese Merkmale können drastisch durch natürliche Faktoren, wie bspw. unterschiedliche Sprecher, Umgebungen order Aufnahmegeräte, beeinflusst werden. Die große Varianz der Sprachsignale verursacht typischerweise die Diskrepanz zwischen Training und Test und kann die Erkennungsleistung drastisch verschlechtern. Diese Diskrepanz gehen wir durch zwei high-level Ansätze, welche auf Neuronalen Netzen basieren, in der Merkmalsextraktion an. Wir zeigten, dass auf tiefe neuronale Netze (DNN) basierte akustische Modelle, die mittels dieser Sprecher-angepasster Merkmale trainiert wurden, in Bezug auf die Wortfehlerrate (WER) relativ, bis zu 19% besser abschneiden, als herkömmliche Merkmalsextraktionen. Im zweiten Ansatz wird ein Long short-term memory (LSTM) Netzwerk, das mittels Connectionist Temporal Classification (CTC) Kriterium auf Phon-Labeln trainiert wurde, als High-Level Merkmals-Transformation verwendet. Die Kombination der aus dem CTC-Netzwerk extrahierten Merkmale und der Bottleneck-Merkmale ergab einen effizienten Merkmalsraum, der ein DNN-basiertes akustisches Modell ein starkes CTC-basierendes Baseline Modell mit deutlichem Vorsprung übertreffen ließ. Darüber hinaus zeigten wir, dass die Verwendung einer Standard Cepstral Mean und Varianz Normalisierung (CMVN) als low-level Merkmalsextraktion in einer potenziellen Diskrepanz von Offline Training und Online Test resultiert und schlugen eine Lineare Diskriminaz Analyse (LDA), die auf linearer Transformation basiert, als Ersatz vor. Daten-Augmentierung wurde in der Spracherkennung verwendet, um zusätzliche Trainingsdaten zu generieren und so die Qualität der Trainingsdaten zu erhöhen. Diese Technik verbessert die Robustheit des Modells und verhindert Overfitting. Wir zeigten, dass Overfitting das kritischste Problem beim Training eines Ende-zu-Ende Sequence-to-sequence (S2S) Modells für die Spracherkennungsaufgabe ist und stellten zwei neuartige on-the-fly Daten-Augmentierungsmethoden als Lösung vor. Die erste Methode (dynamic time stretching) simuliert den Effekt von Geschwindigkeitsänderungen durch eine direkte Manipulation der zeitlichen Folge an Frequenzvektoren durch eine Echtzeit-Interpolationsfunktion. In der zweiten Methode zeigten wir eine effiziente Strategie, um gesprochene Sätze on-the-fly zu sub-samplen und so die Trainingsdatenmenge mit mehrere Varianten eines einzelnen Samples zu vergrößern. Wir zeigten, dass diese Methoden sehr effizient sind, um Overfitting zu vermeiden und die Kombination mit der SpecAugment-Methode aus der Literatur verbesserte die Leistung des vorgestellten S2S-Modells zu einem State-of-the-Art auf dem Benchmark für Telefongespräche. Zweiter Schritt. Wir zeigten, dass die vorgestellten Hoch-leistungs-Batch-Mode ASR Systeme des hybriden (HMM/KNN) und Ende-zu-Ende Paradigmas die Anforderungen in einer online bzw. realen Situation, durch zusätzliche Anpassungen und Inferenz-Techniken, erfüllen. Weder der üblicherweise verwendete Echtzeitfaktor, noch die Commitment-Latenz sind ausreichend, um die vom Benutzer wahrgenommene Latenz aufzuzeigen. Wir stellten eine neuartige und effiziente Methode zur Messung der vom Benutzer wahrgenommenen Latenz in einer Online- und Streaming-Situation vor. Wir zeigten weiter auf, dass ein fortlaufender HMM/KNN Erkenner entweder für den Latenzhöchstwert oder die mittlere Latenz optimiert werden sollte, um das Nutzererlebnis zu verbessern. Um die Latenzmetrik zu optimieren, führten wir einen Mechanismus ein (Hypothese Update), welcher erlaubt hypothetische Transkripte früh zum Benutzer zu schicken und diese später teilweise zu korrigieren. In Experimenten in einer realen Situation in der Vorlesungspräsentations-Domäne konnte gezeigt werden, dass dieses Vorgehen die Wort-basierte Latenz unseres Erkenners stark reduziert, d.h. von 2,10 auf 1,09 Sekunden. Das Sequence-to-sequence (S2S) Attention-basiertes Modell ist für Ende-zu-Ende Spracherkennung zunehmend beliebt geworden. Etliche Vorteile der Architektur und der Optimierung eines S2S-Modells wurde vorgestellt, um State-of-the-Art Ergebnisse auf Standard-Benchmarks zu erreichen. Wie S2S-Modelle mit ihrem Batch-Mode Kapazität aber für eine online Spracherkennung gebraucht werden können, ist dennoch eine offene Forschungsfrage. Wir näherten uns diesem Problem, indem wir die Latenzprobleme, die durch die normale Softmax-Attention Funktion, bidirektionale Encoder und die Inferenz mit Strahlensuche verursacht wurden, analysierten. Wir nahmen uns all dieser Latenzprobleme in einem an, in dem wir einen zusätzlichen Trainings-Loss, um die Unsicherheit der Attention-Funktion auf Frames auf die vorausgeblickt wird, und einen neuartigen Inferenz-Algorithmus, der partielle Hypothesen bestimmt, vorstellen. Unsere Experimente auf dem Datensatz mit Telefongesprächen zeigten, dass unser Stream-Erkenner, mit einer Verzögerung von 1,5~Sekunden für alle Ausgabeelemente, in vollem Umfang die Performanz eines Batch-Mode-Systems derselben Konfiguration erreicht. Nach bestem Wissen ist dies das erste Mal, dass ein S2S-Spracherkennungsmodell in einer online Situation ohne Einbußen in der Genauigkeit genutzt werden kann

What’s Happening Around the World? A Survey and Framework on Event Detection Techniques on Twitter

© 2019, Springer Nature B.V. In the last few years, Twitter has become a popular platform for sharing opinions, experiences, news, and views in real-time. Twitter presents an interesting opportunity for detecting events happening around the world. The content (tweets) published on Twitter are short and pose diverse challenges for detecting and interpreting event-related information. This article provides insights into ongoing research and helps in understanding recent research trends and techniques used for event detection using Twitter data. We classify techniques and methodologies according to event types, orientation of content, event detection tasks, their evaluation, and common practices. We highlight the limitations of existing techniques and accordingly propose solutions to address the shortcomings. We propose a framework called EDoT based on the research trends, common practices, and techniques used for detecting events on Twitter. EDoT can serve as a guideline for developing event detection methods, especially for researchers who are new in this area. We also describe and compare data collection techniques, the effectiveness and shortcomings of various Twitter and non-Twitter-based features, and discuss various evaluation measures and benchmarking methodologies. Finally, we discuss the trends, limitations, and future directions for detecting events on Twitter

Stream-based statistical machine translation

We investigate a new approach for SMT system training within the streaming model of computation. We develop and test incrementally retrainable models which, given an incoming stream of new data, can efficiently incorporate the stream data online. A naive approach using a stream would use an unbounded amount of space. Instead, our online SMT system can incorporate information from unbounded incoming streams and maintain constant space and time. Crucially, we are able to match (or even exceed) translation performance of comparable systems which are batch retrained and use unbounded space. Our approach is particularly suited for situations when there is arbitrarily large amounts of new training material and we wish to incorporate it efficiently and in small space. The novel contributions of this thesis are: 1. An online, randomised language model that can model unbounded input streams in constant space and time. 2. An incrementally retrainable translationmodel for both phrase-based and grammarbased systems. The model presented is efficient enough to incorporate novel parallel text at the single sentence level. 3. Strategies for updating our stream-based language model and translation model which demonstrate how such components can be successfully used in a streaming translation setting. This operates both within a single streaming environment and also in the novel situation of having to translate multiple streams. 4. Demonstration that recent data from the stream is beneficial to translation performance. Our stream-based SMT system is efficient for tackling massive volumes of new training data and offers-up new ways of thinking about translating web data and dealing with other natural language streams

Towards Efficient Lifelong Machine Learning in Deep Neural Networks

Humans continually learn and adapt to new knowledge and environments throughout their lifetimes. Rarely does learning new information cause humans to catastrophically forget previous knowledge. While deep neural networks (DNNs) now rival human performance on several supervised machine perception tasks, when updated on changing data distributions, they catastrophically forget previous knowledge. Enabling DNNs to learn new information over time opens the door for new applications such as self-driving cars that adapt to seasonal changes or smartphones that adapt to changing user preferences. In this dissertation, we propose new methods and experimental paradigms for efficiently training continual DNNs without forgetting. We then apply these methods to several visual and multi-modal perception tasks including image classification, visual question answering, analogical reasoning, and attribute and relationship prediction in visual scenes

Rejection-oriented learning without complete class information

Machine Learning is commonly used to support decision-making in numerous, diverse contexts. Its usefulness in this regard is unquestionable: there are complex systems built on the top of machine learning techniques whose descriptive and predictive capabilities go far beyond those of human beings. However, these systems still have limitations, whose analysis enable to estimate their applicability and confidence in various cases. This is interesting considering that abstention from the provision of a response is preferable to make a mistake in doing so. In the context of classification-like tasks, the indication of such inconclusive output is called rejection. The research which culminated in this thesis led to the conception, implementation and evaluation of rejection-oriented learning systems for two distinct tasks: open set recognition and data stream clustering. These system were derived from WiSARD artificial neural network, which had rejection modelling incorporated into its functioning. This text details and discuss such realizations. It also presents experimental results which allow assess the scientific and practical importance of the proposed state-of-the-art methodology.Aprendizado de Máquina é comumente usado para apoiar a tomada de decisão em numerosos e diversos contextos. Sua utilidade neste sentido é inquestionável: existem sistemas complexos baseados em técnicas de aprendizado de máquina cujas capacidades descritivas e preditivas vão muito além das dos seres humanos. Contudo, esses sistemas ainda possuem limitações, cuja análise permite estimar sua aplicabilidade e confiança em vários casos. Isto é interessante considerando que a abstenção da provisão de uma resposta é preferível a cometer um equívoco ao realizar tal ação. No contexto de classificação e tarefas similares, a indicação desse resultado inconclusivo é chamada de rejeição. A pesquisa que culminou nesta tese proporcionou a concepção, implementação e avaliação de sistemas de aprendizado orientados `a rejeição para duas tarefas distintas: reconhecimento em cenário abertos e agrupamento de dados em fluxo contínuo. Estes sistemas foram derivados da rede neural artificial WiSARD, que teve a modelagem de rejeição incorporada a seu funcionamento. Este texto detalha e discute tais realizações. Ele também apresenta resultados experimentais que permitem avaliar a importância científica e prática da metodologia de ponta proposta

Computational inference and control of quality in multimedia services

Quality is the degree of excellence we expect of a service or a product. It is also one of the key factors that determine its value. For multimedia services, understanding the experienced quality means understanding how the delivered delity, precision and reliability correspond to the users' expectations. Yet the quality of multimedia services is inextricably linked to the underlying technology. It is developments in video recording, compression and transport as well as display technologies that enables high quality multimedia services to become ubiquitous. The constant evolution of these technologies delivers a steady increase in performance, but also a growing level of complexity. As new technologies stack on top of each other the interactions between them and their components become more intricate and obscure. In this environment optimizing the delivered quality of multimedia services becomes increasingly challenging. The factors that aect the experienced quality, or Quality of Experience (QoE), tend to have complex non-linear relationships. The subjectively perceived QoE is hard to measure directly and continuously evolves with the user's expectations. Faced with the diculty of designing an expert system for QoE management that relies on painstaking measurements and intricate heuristics, we turn to an approach based on learning or inference. The set of solutions presented in this work rely on computational intelligence techniques that do inference over the large set of signals coming from the system to deliver QoE models based on user feedback. We furthermore present solutions for inference of optimized control in systems with no guarantees for resource availability. This approach oers the opportunity to be more accurate in assessing the perceived quality, to incorporate more factors and to adapt as technology and user expectations evolve. In a similar fashion, the inferred control strategies can uncover more intricate patterns coming from the sensors and therefore implement farther-reaching decisions. Similarly to natural systems, this continuous adaptation and learning makes these systems more robust to perturbations in the environment, longer lasting accuracy and higher eciency in dealing with increased complexity. Overcoming this increasing complexity and diversity is crucial for addressing the challenges of future multimedia system. Through experiments and simulations this work demonstrates that adopting an approach of learning can improve the sub jective and objective QoE estimation, enable the implementation of ecient and scalable QoE management as well as ecient control mechanisms